在医疗设备中开发利用5GHz频段

 21世纪初，被称为Wi-Fi的无线局域网成为一种主流技术。笔记本电脑这类计算设备开始支持IEEE 802.11b标准，这种标准的最高数据速率为11Mb/s，工作在2.4GHz频段。在802.11b之后是802.11g，后者速率比前者快5倍，接着是802.11n，其数据速率可比有线网络速率。今天，Wi-Fi不仅被广泛用于计算类设备，而且被用于医疗设备，如成像系统、病人监护系统和输液泵。

绝大多数Wi-Fi客户端设备工作在2.4GHz频段。在这个频段只有三个非重叠的信道可用，因此每个Wi-Fi客户端设备和基础设施设备(如接入点(AP))必须工作在这三个信道中的一个信道上。当两个工作在同一信道上的Wi-Fi客户端设备或接入点设备相互靠得较近时，其中一个设备的发射信号将成为另一个设备的干扰或噪声。2.4GHz频段也是微波炉、婴儿监视器、某些无绳电话和蓝牙使用的频段。虽然一个Wi-Fi客户端设备只在一个信道上发射信号，但其它无线设备可能在整个频段上造成干扰。在许多医院，2.4GHz频段中的无线业务几乎达到饱和状态。随着Wi-Fi不断普及，确保2.4GHz频段上的可靠连接越来越具挑战性。

幸运的是，还有另外一个频段可供Wi-Fi使用，即5GHz频段。这个频段可以提供多得多的Wi-Fi信道(北美有23个)。由于很少有设备工作在5GHz，这个频段要相对干净许多。然而，5GHz频段的Wi-Fi部署有别于2.4GHz频段的部署。下面就讨论其中的一些差异。

1.多径

声波碰到物体会发生反射，并以不同的时间到达目的地，结果就形成了回波。当Wi-Fi发射信号碰到物体发生反射并以不同时间到达目的地时，也会产生多径传播现象。多径传播通常会对Wi-Fi工作产生负面影响，因为传输信号的接收方必须筛选并排序信号的多份拷贝，因为其中一些信号的到达顺序是乱的。5GHz频段中的多径传播效应要比2.4GHz频段更加显著。

2.覆盖范围

覆盖范围是指Wi-Fi客户端与接入点可以建立并保持连接的最大距离。因为波形特性、信号衰减、数据速率和发射功率等原因，5GHz时的覆盖范围一般要小于2.4GHz。

在室内，频率和信号传播距离之间呈反比关系——频率越高，信号传播的距离就越短。5GHz时的Wi-Fi使用的频率近似于2.4GHz的Wi-Fi所用频率的两倍(如图1所示)。因此，工作在2.4GHz频段的设备的覆盖范围通常要比工作在5GHz频段的设备大。

图1: 2.4GHz和5GHz的波形。

衰减指的是一个信号被物体吸收的程度。较低频率的无线电波渗透固体的程度通常要比较高频率的无线电波高。5GHz电波被普通建筑材料衰减的程度就比2.4GHz要高。另一方面，2.4GHz波形是水吸收的最佳频率。微波炉工作在2.4GHz就是因为食物中的水份很容易吸收这个频率的微波能量并产生热量。

较低数据速率的工作距离要比较高数据速率时远，因此在2.4GHz时的较低数据速率也能导致更大的覆盖范围。工作在2.4GHz频段的Wi-Fi无线电设备支持802.11b(包括802.11g或802.11n)，而802.11b支持的数据速率要比5GHz频段中的802.11a和802.11n标准低。

然而，802.11b的1Mb/s和2Mb/s最低速率对今天即使是最中等性能要求的网络设备来说也是不够的。一些医院关闭了这些最低速率，即使它们支持更大的范围，因为工作在如此低数据速率的连接没有任何实际好处，还会降低802.11g设备的性能。

影响覆盖范围的最后一个因素是发射功率。因为5GHz时的发射功率一般要比2.4GHz时的发射功率低，因此5GHz的覆盖范围要小于2.4GHz。

在基础设施中采用802.11n的优势

通过充分利用802.11n在Wi-Fi基础设施中的优势，医院可以在5GHz范围内实现显著的性能改进。802.11n的两大特色功能——发射波束成形(TxBF)和最大比例合成(MRC)——实际上是利用了多径传播。通过使用支持多根天线的双频段802.11n接入点设备，医院可以改进覆盖图形和所有Wi-Fi客户端设备的覆盖范围，甚至是那些不支持802.11n的设备。

接入点设备利用TxBF可以在每根天线上发送信号的不同拷贝。无法接收来自某一根天线的信号的客户端设备可以接收来自另外一根天线的信号。在没有TxBF时，客户端设备在接入点范围之外;有了TxBF后，客户端设备就可能在覆盖范围之内了。通过填充零区或死区，TxBF可以增加发射距离。

TxBF可以增强发射性能;MRC可以增强接收性能。借助MRC，接入点设备的每根天线都是来自客户端设备信号的潜在接收者。当某根天线无法接收客户端设备的发射信号而另一根天线可以时，客户端设备就处于有效覆盖范围内。通过填充零区或死区，TxBF可增加接收距离。

虽然TxBF和MRC增加了覆盖范围，但干扰却会减少覆盖范围。射频干扰在2.4GHz频段非常普遍，它将提高本底噪声，降低信噪比(SNR)——发射信号和周边干扰之差。随着信噪比的降低，覆盖范围将变小。因此2.4GHz频段中工作设备的不断增多一定程度上抵消了这个频段的范围优势。

当医院的Wi-Fi基础设施支持双频段802.11n时，5GHz时覆盖范围的少许减少可以由这个频段干扰相对较少而带来的可靠性提高来补偿。由于所有802.11标准都具有速率偏移功能，当工作在距接入点设备相同的距离时，5GHz频段的客户端设备的工作数据速率要比2.4GHz频段稍低一些。

机动性

当Wi-Fi客户端设备启动时，它必须寻找一个可以连接(关联)的接入点设备。当它与该接入点的连接变得不稳定时，它必须找到一个能够提供更好连接的接入点。搜索接入点的这个过程被称为扫描。共有两种扫描类型：

1.主动扫描

对于可能有接入点设备在上面工作的每个信道来说，客户端设备会发送一个探测请求，然后等待接收探测响应。客户端设备将根据探测响应判断哪台是它可以关联的最佳接入点设备。

2.被动扫描

与发送探测请求不同，客户端设备在每个信道中侦听由接入点设备以定期间隔发送的信标帧。

接入点设备将在20ms内响应探测请求，而接入点设备可能要花100ms甚至更长时间才会发送一个信标。因为客户端设备在每个信道上等待来自接入点的信息所花时间较少，所以主动扫描比被动扫描更加高效。

在做主动或被动扫描时，客户端设备不能收发有效载荷数据。正因为如此，长时间扫描对于要求持久网络连接的应用来说具有负面影响。

5GHz频段有一个独特的Wi-Fi特性，即动态频率选择(DFS)。在全球许多地方，被称为DFS信道的一些5GHz信道由优先级比Wi-Fi设备高的天气和军事雷达系统所用。表1显示了5GHz信道，表中详细列出了法律范畴内规定的可用DFS(D)和非DFS(√)信道。

表1: 该表显示了5GHz信道。

在DFS信道上发射信号之前，接入点设备必须先侦听雷达系统是否存在。如果接入点设备检测到雷达，那么接入点设备必须将该信道标记为不可用，然后转移到未被占用的信道，并指示所有关联客户端设备做同样的事。

由于无线客户端设备不能检测雷达的存在，因此它们必须先对每个DFS信道进行被动扫描，以便检测接入点设备是否在这个特定信道上发送信标。一旦检测到信标，客户端设备就被允许执行主动扫描，并在这个信道上连接接入点设备。如果接入点设备后来检测到雷达并转移到另一个信道，那么客户端设备必须转移到相同的信道(以保持与该接入点设备的连接)或漫游到另一个接入点设备。

由于被动扫描时每个DFS信道要花几百毫秒时间，因此对于要求持久网络连接的设备(如医疗设备)来说不鼓励使用DFS信道，特别是在拥有15个DFS信道的FCC和ETSI法律范畴。

建议

对于医院的网络管理人员来说，5GHz频段在覆盖范围和机动性等方面要比2.4GHz面临更大的挑战。然而，5GHz频段非常吸引人，因为它能提供更大的网络容量和相对干净的空中电波。随着时间的推移，在医院Wi-Fi网络中采用5GHz的需求将越来越大，因为2.4GHz频段由于各种设备的过度使用而变得越来越拥挤。

下面是在医院中使用5GHz频段时的一些建议：

接入点设备放置：由于工作在5GHz频段的802.11a和802.11n标准提供的数据速率不低于6Mb/s，因此接入点设备放置的位置应确保客户端设备能保持6Mb/s或更高数据速率的连接。当放置的接入点设备要求工作在指定数据速率时，接入点设备之间的距离应该根据5GHz要求而不是2.4GHz要求来确定。

802.11n：双频段802.11n基础设施可以给所有Wi-Fi客户端无线设备带来好处，比如更加可靠的连接和更大的覆盖范围。在资源允许的条件下医院应升级到双频段802.11n基础设施。

DFS信道：虽然5GHz频段中可用的信道数量可以提供更大的网络容量，但也会导致更长的扫描时间，从而影响到性能和可靠性。当只允许被动扫描时尤其如此，就像DFS信道那样。因此，除非绝对必要，网络架构师不应将接入点设备配置为工作在DFS信道上，并且应该将这些信道从医疗设备的扫描清单中删除。